JPH03282289A - 距離計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、レーザ光を用いて対象物までの距離を計測
するレーザ測距方法および装置、特に擬似ランダム信号
により変調したレーザ光による距離計測に関するもので
ある。

［従来の技術］ 対象物までの絶対距離をレーザ光を用いて測定すること
は、土木建築関連の測距、移動体などの衝突防止用測距
、ロボットの遠隔操作のための視覚情報としての測距、
製鉄プロセスで使用される転炉内部の耐火レンガあるい
は取り鍋内部の耐火レンガの損耗程度を計測するための
測距等として応用範囲が広い。

レーザ測距方法をそのレーザ光の変調方法によって大別
すると、位相比較法、パルス変調法、擬似ランダム信号
変調法があり、次にそれらの従来技術について説明する
。

（１）位相比較法 位相比較法に関しては、例えば特開昭８２−７５３６３
号公報に記載されている方法がある。第５図を参照して
これを説明する。

レーザ発信器２１からのレーザ光はハーフミラ２７で２
光路に分割され、一方は音響光学光変調器２２に入射す
る。音響光学光変調器２２では、高周波発信器２３から
の高周波信号との相互作用により周波数がシフトされた
回折光を発生し、反射鏡４４を経て対象物１γに照射さ
れる。検出器４３では、レーザ光がでニタされる。対象
物１７からの反射光はハーフミラ２８によりヘテロダイ
ン検波器４０に入射する。

一方、ハーフミラ２７で分割された他方のレーザ光は、
参照光としてハーフミラ２８を通ってヘテロダイン検波
器４０に入射される。ヘテロダイン検波器４０では対象
物からの反射波とハーフミラ２８からの参照波との差周
波数信号をヘテロダイン検波して出力する。差周波数信
号の位相は対象物までの距離に比例して遅れるため、高
周波発信器２３からの参照信号と差周波数信号との位相
差を位相検出器４２によって検出すれば対象物までの距
離が求まる。

（２）パルス変調法 パルス変調法に関しては、例えば特開昭５８−７８７８
４号公報に記載されている方法がある。第６図を参照し
て以下に説明する。

レーザ発信器２１からのレーザ光はハーフミラ２７によ
り２光路に分割され、一方は高周波発信器２３で駆動さ
れた音響光学光変調器２２に入射して周波数かシフトし
た回折光としてスリット２９を通過し、レンズ５４によ
り集光され光変調器２４に入射する。

光変調器２４では入射したレーザ光をパルス発生器５０
からのパルス信号によってパルス変調し、このパルス変
調されたレーザ光は、送信光学系１１を通過して対象物
１７に照射される。対象物１７からの反射波は、受信光
学系１２とハーフミラ２８を通過して受光素子２５に入
射する。ハーフミラ２７て分割されたもう一方のレーザ
光は参照光として、ハーフミラ２８て反射して受光素子
２５に入射する。受光素子２５では、対象物１７からの
パルス波形をした反射波を参照光でヘテロダイン検波し
て、それらの差周波数信号のパルス波形を出力する。こ
の差周波数信号のパルス波形は中間周波数増幅器５１で
増幅された後、検波器５２て検波されパルス波形となる
。

已のパルス波形は、対象物１７までのレーザ光の伝播時
間だけ遅れているので、情報処理回路５３でもとのパル
ス発生器５０のパルス発生時刻と対象物１７からの反射
波として受信して得られたパルス波形の時刻との差の時
間を計測して、対象物１７までの距離を求める。

（３）擬似ランダム信号変調法 擬似ランダム信号変調法に関しては、例えば特開昭５８
−１６８２８１号公報に記載されている方法がある。第
７図を参照して以下に説明する。

レーザ発振器２１で出力されたレーザ光は、変調器２４
において、擬似ランダム信号発生器６０で発生された擬
似ランダム信号で強度変調され、対象物■７へ照射され
る。対象物１７からの反射光は受光素子２５で受光され
電気信号に変換され、その波形が高速記憶装置６２に記
憶される。遅延相関器６１では、擬似ランダム信号発生
器６０て発生させた擬似ランダム信号を逐次遅延させな
がら、高速記憶装置６２に記憶されている受信された擬
似ランダム信号との相関を演算し、その結果を表示記録
計６３に出力する。対象物１７からの反射光として受信
されて得られた擬似ランダム信号の位相は、対象物１７
までの光の伝播時間だけ遅れているので、擬似ランダム
信号発生器６０で発生され、送信信号として使用された
擬似ランダム信号の位相を伝播時間だけ送らせた時に、
両者の相関が大きくなる。したがって、相関が最大とな
るような遅延時間を計測することにより対象物１７まて
の距離が求まる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来方式のレーザ測距装置についてはそれ
ぞれ次のような問題点がある。

（１）位相比較法 まず位相比較法では、連続波を送出する方式なので、対
象物以外の場所から反射光あるいは洩れ光等の不要光が
あるとこれを区別することができず、大きな誤差を生ず
る問題がある。特に、感度を高くし、微弱な反射光でも
検出できるようにした場合には、レーザ光を照射する光
学系からの微弱な洩れ光でも受光学系に入射しているの
が検出され、対象物からの反射光に重畳されて干渉し、
位相が乱れ、大きな誤差を生ずることがある。

（２）パルス変調法 パルス変調法においては、断続波を送出する方式なので
、対象物以外からの不要光が存在しても、時間的に対象
物からの反射光と区別できるが、パルス状の光の持つパ
ワーは平均的に小さく、また送出するレーザ光のピーク
パワーを大きくすることもデバイス上あるいは安全上の
問題から限界があるので、対象物の光に対する反射率が
低い場合には測定ができないという問題がある。このた
め、対象物の反射率が低い場合には、反射光量を大きく
するために、微小な反射体を多数テープの表面に取り付
けた反射テープを対象物に貼ることがあるが、この作業
が煩雑になるという問題点もある。

（３〉擬似ランダム変調法 擬似ランダム変調法は、連続波を送出する方式で、感度
が高く、しかも対象物以外からの不要光か存在しても、
相関演算をするときの遅延時間上で対象物からの反射波
と不要波とを区別できるが、装置の構成が複雑となり、
また信号処理時間が遅くなるという問題かある。すなわ
ち、高速記憶装置、遅延相関装置は具体的には、アナロ
グ回路あるいはディジタル回路で構成されることになる
か、前者の場合は極めて使用素子が多くて複雑な構成と
なり、後者の場合は複雑な演算処理を実行するので処理
速度か遅くなるという問題点かある。

この発明は、上記のような感度、不要光の影響、装置構
成の複雑さ、信号処理時間等の問題点を解決したレーザ
測距の方法およびその装置を得ることを目的とするもの
である。

［課題を解決するだめの手段］ この発明に係る距離計測方法は、第１の擬似ランダム信
号および該第１の擬似ランダム信号と同一パターンで周
波数のわずかに異なる第２の擬似ランダム信号とをそれ
ぞれ発生し、第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ラン
ダム信号とを乗算して得られる第１の時系列パターンを
発生し、また第１の擬似ランダム信号によりレーダ光を
強度変調して対象物に向けて照射し、この対象物からの
反射光を受光してその強度変化を電気信号に変換し、こ
の電気信号に変換された受信信号と第２の擬似ランダム
信号とを乗算して第２の時系列パターンを得て、第１の
時系列パターンに対する第２の時系列パターンの時間差
を測定することにより対象物との距離を測定するように
したものである。

また、この発明に係る距離計測装置においては、第１の
擬似ランダム信号発生手段と、この第１の擬似ランダム
信号発生手段の出力信号と同一パターンで周波数のわず
かに異る第２の擬似ランダム信号発生手段と、第１の擬
似ランダム信号発生手段の出力と第２の擬似ランダム信
号発生手段の出力との乗算を行なう第１の乗算器と、レ
ーザ光発生手段と、第１の擬似ランダム信号発生手段の
出力によりレーザ光発生手段の出力を強度変調する変調
手段と、この変調手段の出力を対象物に照射する照射手
段と、対象物から反射光を受光して電気信号に変換する
受光手段と、この受光手段の出力と第２の擬似ランダム
信号発生手段の出力との乗算を行なう第２の乗算器と、
第１の乗算器より出力される時系列パターンと第２の乗
算器より出力される時系列パターンとの時間差を計測す
る時間差計測手段とを備えたものである。　また、上記
の距離計測装置において、レーザ光発生手段および変調
手段の代わりに半導体レーザを使用して、この半導体レ
ーザを前記の第１の擬似ランダム信号発生手段の出力信
号で駆動して、直接的に強度変調されたレーザ光を得る
ようにしている。

また、上記の距離計測装置において、レーザ光発生手段
はレーザ光源、高周波発生器及びこの高周波発生器の出
力によって駆動され前記レーザ光源の出力光を入力とす
る音響光学光変調素子により構成され、受光手段は前記
レーザ光源の出力レーザ光の一部を分岐する分岐手段、
及びこの分岐手段の出力光と対象物からの反射光とを結
合してヘテロダイン検波して電気信号として出力する受
光素子により構成されている。

また、上記の距離計測装置において、第１の乗算器より
出力される時系列パターンと第２の乗算器より出力され
る時系列パターンとの時間差を計測する時間差計測手段
として、第１の乗算器の出力を入力とする第１のローパ
スフィルタと、第２の乗算器の出力を入力とする第２の
ローパスフィルタと、第１のローパスフィルタの出力信
号の最大値が生じる時刻と第２のローパスフィルタの出
力信号の最大値か生ずる時刻との間の時間を計測する計
測手段を備えている。

［作用］ この発明においては、第１および第２の擬似ランダム信
号は同一パターンの符号列であるが、両信号の周波数は
わずかに異っているので、両信号の位相がある時点で一
致しても、その後時間とともに徐々にずれ、これが１符
号以上ずれると２つの信号の相関はなく、両信号の乗算
結果はランダムとなり、ローパスフィルタには出力が発
生しない。

さらに時間が経過して、第１および第２の擬似ランダム
信号間の位相が丁度一方の擬似ランダム信号の１周期分
だけずれたとき、再び両者の位相か一致し、両信号の相
関は最大となり、この場合は乗算器出力かローパスフィ
ルタを通過するとピク信号か得られる。この現象は繰返
されてローパスフィルタの出力には周期的パルスが得ら
れる。

第１と第２の擬似ランダム信号の直接乗算で得られるパ
ルスを時刻基準信号とし、これに対して、対象物からの
レーザ反射波の受信信号と第２の擬似ランダム信号の乗
算値から得られるローパスフィルタのパルス発生時刻と
の差を検出することにより、対象物への距離を簡単な装
置の構成によって計測することかできる。

また例えば、光学系の洩れ光等の不要光が存在しても、
この不要光による検出信号上のパルスの発生時刻は、対
象物がらの反射光によるパルスの発生時刻とは異なるの
で両者を区別することができ、その影響を受けることな
く対象物の距離計測が可能になる。

［実施例コ 第１図はこの発明の一実施例による装置の構成図である
。図において１および２はクロック発生器であり、３は
第１の擬似ランダム信号を出力する擬似ランダム信号発
生器、４は第２の擬似ランダム信号を出力する擬似ラン
ダム信号発生器である。クロック発生器１は例えばその
周波数ｆ１がｆ　　−１００，００４ＭＨｚであり、ク
ロック発生器２の周波数ｆ　はｆ　２−９９．９９ｆ３
ＭＨｚであって、これらは水晶発振子によって安定した
周波数を保持している。擬似ランダム信号発生器３およ
び４は、まったく同一の回路構成をもち、７ビツトのシ
フトレジスタによって擬似ランダム信号のひとつである
Ｍ系列信号を発生する。９は半導体レーザで、その波長
は例えば７８０ｎｍであり、擬似ランダム信号発生器３
からの信号によって強度変調されたレーザ光を出力する
。このレーザ光は送信光学系１１のレンズを介して対象
物１７に照射される。対象物１７からの反射波は、受信
光学系１２のレンズ、光学フィルタ等を介してフォトダ
イオード１０に入射し、光の強弱は電気信号に変換され
受信信号が得られる。この受信信号はバランスドミキサ
８によって、擬似ランダム信号発生器４からの第２の擬
似ランダム信号出力と乗算され、この乗算信号はローパ
スフィルタ６を介して対象物検出信号として距離換算器
１３に入力される。

一方、擬似ランダム信号発生器３，４から出力される第
１および第２の擬似ランダム信号は、バランスドミキサ
７で乗算され、この乗算信号はローパスフィルタ５を介
して、時刻基準信号として距離換算器１３に入力される
。距離換算器１３は、上記対象物検出信号のピークおよ
び時刻基準信号のピークを検出し、それらのピークの発
生時間差を計測して、これによって対象物１７まての距
離を換算する機能を有している。

上記のように、擬似ランダム信号発生器３および４が発
生する第１および第２の擬似ランダム信号は、ともに同
一パターンの符号列であるが、それぞれを駆動するクロ
ック周波数の差によって、この２つの信号の周期はわず
かに異なっている。

両方の信号の位相がある時点て一致すると、その後時間
が経過するにつれてこの位相に徐々にずれ、これか信号
の１符号以上ずれた場合には、これら２つの擬似ランダ
ム信号の相関はなくなる。第１の擬似ランダム信号によ
って強度変調されたレーザ光の対象物１７からの反射波
の受信信号と、第２の擬似ランダム信号との間で、互い
の位相がずれ相関がないときは、この２つの信号のバラ
ンスドミキサ８による乗算結果はランダムな信号となり
、直流成分を持たなくなるのでローパスフィルタ６の出
力信号はゼロ値である。

さらに時間が経過して、これらの第１および第２の擬似
ランダム信号間の位相か、丁度一方の擬似ランダム信号
の１周期分だけずれた時、両者の位相は一致し、両信号
の相関が最大となるため、バランスドミキサ８の乗算出
力がローパスフィルタ６を通過するとピーク信号が得ら
れる。第２図（ａ）はこのローパスフィルタ６の入力出
力信号を示す図であるが、後述するローパスフィルタ５
についても同様である。

このように位相の一致する現象は一定周期毎に繰り返さ
れ、対象物１７の反射波の検出信号とじては第２図（ｂ
）のように周期的なパルス信号が得られる。一方、この
対象物検出信号を得た時刻を計測するための時刻基準信
号を設定するには、第１の擬似ランダム信号と第２の擬
似ランダム信号をバランスドミキサ７によって直接乗算
し、その乗算結果である時系列パターンをローパスフィ
ルタ５を介して取り出すことにより、上記対象物検出信
号と同一周期のパルス状信号が得られ、第２図（ｂ）に
示す時刻基準信号となる。

したがって、この時刻基準信号のパルス発生時刻から対
象物検出信号のパルス発生時刻までの時間が、レーザ光
か送信光学系１１と受信光学系１２間の対象物１７まて
の往復伝播時間に比例した距離情報として得られ、距離
換算器１３によって対象物１７までの距離が算出される
。

また、この実施例では、送信光学系１１と受信光学系１
２がレーザ光を照射しこれを受光する方向を２つのロー
タリエンコーダを用いた２軸の角度測定器、すなわちθ
方向計１４およびφ方向計１５からの角度情報により検
知して、信号処理部１６において対象物１７を３次元的
な形状として計測することができる。

ところで、この実施例に於いては、距離測定精度が約１
５關で、応答速度が１点あたり０．１秒で、距離を測定
することができた。

第３図はこの発明の他の実施例に係る距離計測装置の構
成を示すブロック図である。この実施例は、ヘテロダイ
ン検波式のレーザ測距装置に対して擬似ランダム信号処
理を適用して、さらに感度を高くしたものである。図に
おいて、クロック発生器１のクロック周波数は例えば２
００．０１０ＭＨｚ、クロック発生器２のクロック周波
数は２００．０１）（１ＭＨｚテある。擬似ランダム信
号発生器３，４は同一の回路構成で８段シフトレジスタ
により擬似ランダム信号のひとつであるＭ系列信号を発
生させる。レーザ発信器２１はＨｅ−Ｎｅレーザ発振器
であり、この出力レーザ光はハーフミラ２７で二方向に
分けられ、その一方は、高周波発信器２３で駆動されて
いる音響光学変調器２２に入射する。ここで高周波の周
波数分だけシフトした回折光は、スリット２９を通過し
て、光変調器２４に入射する。光変調器２４では、入射
したレーザ光が擬似ランダム信号発生器３で発生したＭ
系列信号で強度変調されて、送信光学系１１を介して対
象物エフに照射される。

対象物Ｉ７で反射したレーザ光は受信光学系１２で受光
され、ハーフミラ２８を介して受光素子２５に入射し、
受信されたレーザ光をヘテロダイン検波し、受信された
レーザ光の強度に応じた振幅をもつ高周波の電気信号か
得られる。この振幅変調されている高周波信号は検波器
２６で検波され、擬似ランダム信号発生器４で作られた
Ｍ系列信号とバランスドミキサ８で乗算され、ローパス
フィルタ５を介して対象物検出信号として距離換算器１
３に入力される。一方、擬似ランダム信号発生器３，４
の出力はバランスドミキサ７で乗算され、ローパスフィ
ルタ６を介して時刻基準信号として距離換算器１３に入
力される。距離換算器１３では、対象物検出信号と時刻
基準信号のそれぞれのピークを検出し、それらの発生時
間の差を計測し、これを距離に換算する。

また、この実施例でも、送信、受信の光学系の方向を計
測するためにロータリーエンコーダヲ適用したθ方向計
１４およびφ方向計１５を備え、２軸の角度情報か信号
処理部１６に入力される。信号処理部１６では、この角
度情報と距離換算器１３の算出距離値から、対象物１７
の３次元的形状を測定することができる。

なお、この実施例においては、距離測定精度は約１０ｍ
ｍで、応答速度は１点あたり０．１４秒で距離を測定す
ることができた。

ととろで、第１図および第３図の２軸の角度計１４、１
５により得られた角度情報は、距離計測装置により得ら
れた距離情報と合わせて、次のようにして３次元的形状
を計測するのに使用される。

第４図（ａ）はレーザ測距器全体の側面図、同図（ｂ）
はその上面図、同図（Ｃ）はその正面図、同図（ｄ）は
レーザ光の照射および受光方向の座標系を表す説明図で
ある。図において、１４はθ方向角度計、１５はφ方向
角度計てあり、それぞれ１回転で３６００００パルスを
発生させる高精度のインクリメント方式ロータリエンコ
ーダである。７４はレーザ測距器全体（第１図又は第３
図の回路構成を収納）であり、矢印の方向にレーザ光を
照射し受光して対象物までの測距を行なう。７５は台で
ある。７６はレーザ測距器全体７４かθ方向に回転でき
るように支えるためのヨークであり、ヨーク自身はφ方
向角度計７１の上で回転できる。

例えばある方向（θ、φ）で距離計測をし、対象物まで
の距離の測定値として「か得られたとすると、信号処理
部１６では、対象物の３次元的位置（ｘ、ｙ、ｚ）を次
式で求める。

ｘ　−ｒ　”　ｃｏｓθｌＩＣＯ８φ ｙ　＝　ｒ　’　ｃｏｓθ−ｓｉｎφ ｚ−ｒ０ｓｉｎθ 上記の計測、演算をθとφをスキャンしながら繰り返す
ことで、対象物の３次元的形状を（ｘ。

ｙ、ｚ）座標情報として得ることができる。

［発明の効果コ この発明は以上説明したとおり、パターンが同一で、周
波数のわずかに異なる擬似ランダム信号をレーザ距離計
測装置に適用して距離計測するようにしたので、不要光
の影響が検出信号の時間上で区別可能な特性を備え、感
度が高く、かつ検出信号が得られるまでの信号処理時間
が短く、リアルタイムで測距できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す装置構成図、第２図
は第１図の動作を説明するための波形図、第３図はこの
発明の他の実施例を示す装置構成図、第４図（ａ）　、
　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）はレーザ測距器全体
の側面図、その上面図、その正面図およびレーザ光の照
射および受光方向の座標系を表す説明図である。 第５図、第６図及び第７図は従来の技術による距離計測
装置を示す構成図である。 １．２・・・クロック発生器、３，４・・・擬似ランダ
ム信号発生器、５，６・・・ローパスフィルタ、７゜８
・・・バランスドミキサ、９・・・半導体レーザ、１０
・・・フォトダイオード、１１・・・送信光学系、１２
・・・受信光学系、Ｉ３・・・距離換算器、１４・・・
θ方向計、１５・・・φ方向計、１Ｂ・・・信号処理部
、１７・・・対象物、２１・・・レーザ発振器、２２・
・・音響光学光変調器、２３・・・高周波発振器、２４
・・・光変調器、２５・・・受光素子、２６・・・検波
器、２７、２８・・・ハーフミラ、２９・・・スリット
。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の擬似ランダム信号および該第１の擬似ラン
   ダム信号と同一パターンで周波数のわずかに異なる第２
   の擬似ランダム信号をそれぞれ発生し、前記第１の擬似
   ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算して得
   られる第１の時系列パターンを発生し、また前記第１の
   擬似ランダム信号によりレーザ光を強度変調して対象物
   に向けて照射し、この対象物からの反射光を受光してそ
   の強度変化を電気信号に変換し、この電気信号に変換さ
   れた受信信号と前記第２の擬似ランダム信号とを乗算し
   て第２の時系列パターンを得て、前記の第１の時系列パ
   ターンに対する第２の時系列パターンの時間差を測定す
   ることにより前記対象物との距離を測定する距離計測方
   法。
2. （２）第１の擬似ランダム信号発生手段と、該第１の擬
   似ランダム信号発生手段の出力信号と同一パターンで周
   波数のわずかに異なる第２の擬似ランダム信号発生手段
   と、前記第１の擬似ランダム信号発生手段の出力と前記
   第２の擬似ランダム信号発生手段の出力との乗算を行な
   う第１の乗算器と、レーザ光発生手段と、前記第１の擬
   似ランダム信号発生手段の出力により前記レーザ光発生
   手段の出力を強度変調する変調手段と、この変調手段の
   出力を対象物に照射する照射手段と、前記対象物からの
   反射光を受光して電気信号に変換する受光手段と、この
   受光手段の出力と前記第２の擬似ランダム信号発生手段
   の出力との乗算を行なう第２の乗算器と、前記第１の乗
   算器より出力される時系列パターンと前記第２の乗算器
   より出力される時系列パターンとの時間差を計測する時
   間差計測手段とを備えた距離計測装置。
3. （３）レーザ光発生手段および変調手段の代わりに半導
   体レーザを使用して、この半導体レーザを前記の第１の
   擬似ランダム信号発生手段の出力信号で駆動して、直接
   的に強度変調されたレーザ光を得るようにした請求項２
   記載の距離計測装置。
4. （４）レーザ光発生手段はレーザ光源、高周波発生器及
   びこの高周波発生器の出力によって駆動され前記レーザ
   光源の出力光を入力とする音響光学光変調素子により構
   成され、受光手段は前記レーザ光源の出力レーザ光の一
   部を分岐する分岐手段、及びこの分岐手段の出力光と対
   象物からの反射光とを結合してヘテロダイン検波して電
   気信号として出力する受光素子により構成されている請
   求項２記載の距離計測装置。
5. （５）時間差計測手段は、第１の乗算器の出力を入力す
   る第１のローパスフィルタと、第２の乗算器の出力を入
   力とする第２のローパスフィルタと、第１のローパスフ
   ィルタの出力信号の最大値が生じる時刻と第２のローパ
   スフィルタの出力信号の最大値が生ずる時刻との間の時
   間を計測する計測手段を備えた請求項２、３又は４記載
   の距離計測装置。
6. （６）レーザ光の照射方向および受信方向を計測するた
   めの２軸の方向計測手段を備え、３次元形状を計測でき
   るようにした請求項２、３、４又は５記載の距離計測装
   置。